CN114382458B - 地下施工过程中地下水位及地层变形可视化实时监测方法 - Google Patents

地下施工过程中地下水位及地层变形可视化实时监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了地下施工过程中地下水位及地层变形可视化实时监测方法，包括以下步骤：步骤一、导洞开挖；步骤二、管孔开挖；步骤三、钻出监测孔；步骤四、安装监测管；步骤五、开始监测：并将监测探头送入左侧监测管和右侧监测管内进行监测，同时将监测探头送入到地下水位管孔内进行监测，并沿着导洞延伸方向方向进行循环监测，分析地表变形与地下水位变化规律。步骤六、施工结束以及地表变形满足规范要求后，停止监测；本方法实现了一孔多用，且有效的指导了黄土地区PBA车站安全施工与长期健康运营，相比于现有技术中通过人工单点钻孔进行监测方式，具有监测数据黄土地区PBA车站建设与运营全过程、完整、准确、数字化、监测时间长等优点。

Description

地下施工过程中地下水位及地层变形可视化实时监测方法
技术领域
本发明涉及地下水位变化及地层变形PBA车站导洞监测技术领域，尤其是涉及一种黄土地区地下PBA车站导洞施工过程中地下水位变化及地层变形三维数字钻孔可视化实时监测方法。
背景技术
在西部黄黄土地区PBA车站导洞开挖前后地下水的施工过程中，导洞开凿可能会打通地下流水层，发生涌水现象，监测导洞周围地下水位变化，其作用主要是为施工提供安全保障。在导洞形成后，地下水位变化PBA车站导洞变化时，做为外作用力作用在导洞上，因此，监测地下水位变化在整个施工过程中，非常重要。
在现有技术中，技术人员只能通过在开挖出的部分导洞内壁向四周钻孔来监测导洞内壁的围岩裂隙发展及地下水位变化规律，但是，这种监测方法无法获取导洞内壁完整的信息，不能真实及时的反应出导洞的真实情况。
发明内容
本发明目的在于：针对上述问题，提供一种地下施工过程中地下水位及地层变形可视化实时监测方法。该监测方法操作简便，能够完整的、连续的监测出导洞周围围岩的裂隙发展、地层变化及地下水位变化规律，具有监测数据贯穿黄土地区PBA车站建设与运营全过程、完整、准确、数字化、监测时间长等优点，有效指导PBA车站的安全施工。
本发明是通过下述方案来实现的：
地下施工过程中地下水位及地层变形可视化实时监测方法，包括以下步骤：
步骤一、导洞开挖。
步骤二、管孔开挖：在开挖导洞之前，在导洞部位上方地表从上往下钻孔形成用于监测地下水位和地层变化监测孔；
步骤三、钻出监测孔：在所述导洞预设部位的左侧钻出左侧监测孔，在所述导洞预设部位的右侧钻出右侧监测孔，在所述导洞预设部位的顶板钻出顶板监测孔；
步骤四、安装监测管：在所述左侧监测孔内安装左侧监测管，在所述右侧监测孔内安装右侧监测管，在顶板监测孔安装顶板监测管；
步骤五、开始监测：并将监测探头送入左侧监测管和右侧监测管内进行监测，同时将监测探头送入到地下水位和地层变形孔内进行监测，并沿着导洞延伸方向方向进行循环监测，根据形成的三维数字图像，分析地表变形与地下水位变化规律。
步骤六、施工结束以及地表变形满足规范要求后，停止监测。
在步骤二中，所述地下水位管孔沿导洞预设部范围内的截面方向间隔开挖为多条，形成内部地下水位及地层变形监测孔，并且在导洞预设部范围外的截面方向间隔开挖为多条，形成外部地下水位及地层变形监测孔；内部孔和外部孔在同一竖向平面内。
在步骤三中，所述左侧监测孔和右侧监测孔穿过靠近导洞处地下水位管孔，并与之相连通，将左侧监测管和右侧监测管分别伸至导洞预设部位的底板下端位置，左侧监测管和右侧监测管的延伸至所述导洞预设部位的底板下部。
在步骤三中，所述左侧监测孔与靠近导洞处地下水位管孔相连通，将地下水位管孔延伸至所述导洞预设部位的底板下端部，水平延伸形成下水平监测孔；所述右侧监测孔与靠近导洞处地下水位管孔相连通相连通，将地下水位管孔延伸至所述导洞预设部位的顶板上端，水平延伸形成上水平监测孔；
所述上水平监测孔内安装有用于与右侧监测管相连通的上水平监测管，所述下水平监测孔内安装有用于与左侧监测管相连通的下水平监测管。
在步骤三中，所述左侧监测孔和右侧监测孔穿过靠近导洞处地下水位管孔，并与之相连通，将左侧监测管和右侧监测管分别伸至导洞预设部位的底板下端位置，左侧监测管和右侧监测管的延伸至所述导洞预设部位的底板下部，整体形成第一布置方式；
所述左侧监测孔与靠近导洞处地下水位管孔相连通，将地下水位管孔延伸至所述导洞预设部位的底板下端部，水平延伸形成下水平监测孔；所述右侧监测孔与靠近导洞处地下水位管孔相连通相连通，将地下水位管孔延伸至所述导洞预设部位的顶板上端，水平延伸形成上水平监测孔；
所述上水平监测孔内安装有用于与右侧监测管相连通的上水平监测管，所述下水平监测孔内安装有用于与左侧监测管相连通的下水平监测管，整体形成第二布置方式；
在导洞的延伸方向上，左侧监测管和右侧监测管的布置方式采用第一布置方式和第二布置方式相交错的方式。
所述左侧监测孔的下端与下水平监测孔的连接处的倒角为圆弧形，所述右侧监测孔的下端与上水平监测孔的连接处的倒角为圆弧形。
所述上水平监测管和下水平监测管均包括多个监测管段，以及用于将相邻两个监测管段连通的管路为透明软管。
所述上水平监测管和下水平监测管的管头均为球形导向头。
所述左侧监测管和所述右侧监测管的数量均为多个，且多个所述左侧监测管和多个所述右侧监测管均沿导洞预设部位的延伸方向间隔布设。
所述左侧监测孔与所述下水平监测孔之间的夹角呈90°，所述右侧监测孔与所述上水平监测孔之间的夹角呈90°。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的操作简便，设计新颖合理。
2、本发明通过采用监测管，进而为数字钻孔成像仪的探头采集图像提供了监测通道，能够对围岩尤其是导洞开挖之前和开挖之后的顶板、底板和侧帮的裂隙发展及地下水位变化规律进行准确的掌握，由于左侧监测管和右侧监测管是连续的布设的管道，这样能使数字钻孔成像仪采集到连续的围岩裂隙发展及地下水位变化规律，相比于现有技术中通过人工单点钻孔进行监测方式，具有监测数据完整、准确，监测时间长等优点。
3、本发明的上水平监测管和下水平监测管均包括多个监测管段，以及用于将相邻两个监测管段连通的透明软管。采用这种连接方式，使得上水平监测管能够从所述右侧监测孔逐渐推入并在所述右侧监测孔的下端转弯进入所述上水平监测管；同理，也使得下水平监测管能够从所述左侧监测孔逐渐推入并在所述左侧监测孔的下端转弯进入所述下水平监测管。
4、本发明的上水平监测管和下水平监测管的管头为球形导向头。通过设置球形导向头，能够对所述上水平监测管和下水平监测管在伸入相应的钻孔时，起到很好的引导作用。
5、本发明的竖直方向监测管，可以获得在导洞施工过程中地层变形及地下水位变化的三维数字图形，对比分析地层变形规律及地下水位变化规律。
附图说明
图1为本发明监测方法的方法流程示意图。
图2为本发明中黄土地区PBA车站导洞开挖前后地下水监测管组、左侧监测管和右侧监测管的平面布置图。
图3为图2的A－A剖视图
图4为图2的B－B剖视图。
图5为图2的C－C剖视图。
图6为本发明中监测管段与透明软管的连接关系示意图。
图7为本发明中球形导向头与透明软管的连接关系示意图；
附图说明：1、内部地下水位管孔；2、外部地下水位管孔；3、左侧监测孔；4、右侧监测孔；5、左侧监测管；6、右侧监测管；7、上水平监测管；8、下水平监测管；9、监测管段；10、透明软管；11、球形导向头；12、导洞；13、顶板；14、底板；15、侧帮；16、井壁。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。
实施例1
如图1～2所示，一种地下施工过程中地下水位及地层变形可视化实时监测方法，包括以下步骤：
步骤一、导洞12开挖。
步骤二、管孔开挖：在开挖导洞12之前，从导洞12预设部位的顶板13的上方地表从上往下钻孔形成用于监测地下水位和地层变形孔，所述地下水位管孔沿导洞12预设部范围内的截面方向间隔开挖为多条，形成内部地下水位及地层变形监测孔1，并且在导洞12预设部范围外的截面方向间隔开挖为多条，形成外部地下水位管孔2；内部地下水位及地层变形监测孔1和外部地下水位管孔2在同一竖向平面内；
在同一竖向平面内的内部地下水位管孔1和外部地下水位管孔2形成一列地下水位监测管组；
沿导洞12预设部位的长度方向地下水位监测管组设置为多列。
参考图2和图3，所述地下水位监测管组为多列，且多列地下水位监测管组沿导洞12预设部位的延伸方向相互平行布设，以方便布置更多的地下水位管孔，从而提高导洞12预设部位周围围岩的裂隙发展及地下水位的监测效果。
步骤三、钻出监测孔：在所述导洞12预设部位的左侧钻出左侧监测孔3，在所述导洞12预设部位的右侧钻出右侧监测孔4，在所述导洞12预设部位的顶板13钻出顶板13监测孔；所述左侧监测孔3和右侧监测孔4垂直于地下水位管孔设置；
步骤四、安装监测管：在所述左侧监测孔3内安装左侧监测管5，在所述右侧监测孔4内安装右侧监测管6，在顶板13监测孔安装顶板13监测管，所述左侧监测管5和所述右侧监测管6均为透明监测管；
步骤五、开始监测：并将数字钻孔成像仪的探头送入所述左侧监测管5和右侧监测管6内进行导洞12外侧位置水平方向上情况监测，同时将数字钻孔成像仪的探头送入到内部地下水位管孔1和外部地下水位管孔2中进行垂直方向上情况监测，对所述导洞12开挖之前进行降水和开挖之后进行回水及周围围岩的裂隙发展进行监测；沿着导洞12延伸方向方向进行循环监测，根据形成的三维数字图像，分析地表变形与地下水位变化规律。
步骤六、施工结束以及地表变形满足规范要求后，停止监测。
本实施例中，该监测方法通过设置左侧监测管5和右侧监测管6，进而为数字钻孔成像仪的探头采集图像提供了监测通道，能够对围岩尤其是导洞12开挖之前和开挖建成之后的顶板13、底板14和侧帮15的黄土地区开挖过程中的水位变化、导洞12建成后地下水位变化过程、导洞12洞壁围岩裂隙演化等变化规律进行准确的掌握，由于左侧监测管5和右侧监测管6是连续的布设的管道，这样能使数字数字钻孔成像仪采集到连续的围岩裂隙发展及地下水位变化规律，是黄土地区地下水位PBA车站导洞12安全施工与长期健康运营的重要保证手段，相比于现有技术中通过人工在导洞12的导洞12井壁16单点钻孔进行监测方式，具有监测数据贯穿黄土地区地下水位变化PBA车站导洞12建设与运营全过程、完整、准确、数字化、监测时间长等优点。
实施例2
请参考图2和图4，基于上述实施例1，本实施例与实施例1的不同之处在与，所述左侧监测孔3和右侧监测孔4穿过靠近导洞12处地下水位管孔，并与之相连通，将左侧监测管5和右侧监测管6分别伸至导洞12预设部位的底板14下端位置，这样，位于左侧监测孔3内的左侧监测管5和位于所述右侧监测管6测孔内的右侧监测管6的延伸至所述导洞12预设部位的底板14下部；
在本实施例中，该监测方法通过将左侧监测孔3和所述右侧监测孔4与地下水位管孔相连通后，延伸至所述导洞12预设部位的底板14下部，这样能够通过布设在期内的左端监测管和右端监测管完整的监测出导洞12两个侧帮15的裂隙发展及地下水位变化PBA车站导洞12变化规律。
实施例3
请参考图2和图5，基于上述实施例1，本实施例与实施例1的不同之处在与，所述左侧监测孔3与靠近导洞12处地下水位管孔相连通，将地下水位管孔延伸至所述导洞12预设部位的底板14下端部，水平延伸形成下水平监测孔；
所述右侧监测孔4与靠近导洞12处地下水位管孔相连通相连通，可以将地下水位管孔延伸至所述导洞12预设部位的顶板13上端，水平延伸形成上水平监测管7；
所述上水平监测管7内安装有用于与右侧监测管6相连通的上水平监测管，所述下水平监测孔内安装有用于与左侧监测管5相连通的下水平监测管8。
本实施例中，该监测方法通过设置上水平监测管，所述上水平监测管位于导洞12预设部位的顶板13上端位置，能够连续的监测出导洞12顶板13处的裂隙发展情况，通过设置下水平监测管8，所述下水平监测管8位于导洞12预设部位的底板14下端位置，能够连续的监测出裂隙发展及地下水位变化对pba车站的影响。
实施例4
基于上述实施例2和3，所述左侧监测管5和右侧监测管6的数量均为多个，且多个所述左侧监测管5和多个所述右侧监测管6均沿导洞12预设部位的延伸方向间隔布设。
并且在本实施例中，将所述左侧监测管5和右侧监测管6的两种布设方式结合使用；
优选的做法是，左侧监测管5和右侧监测管6的的布置方式采用，实施例2中的布置方式与实施例3中的布置方式，两种布设方式间隔错开布设，这样既能获取连续、完整的导洞12两个侧帮15处的裂隙发展及地下水位变化规律，同时，也能获取连续、完整的导洞12的顶板13和底板14处的裂隙发展及地下水位变化规律。
本实施例中，所述左侧监测孔3和所述下水平监测孔，以及所述右侧监测孔4和所述上水平监测管7均采用中煤科工集团西安研究院有限公司研制的ZDY3500JD型煤矿用胶轮式全液压坑道钻机来钻孔，这种钻机能够钻出倾角在－90°～90°之间变化的钻孔；
本实施例中，所述左侧监测孔3与所述下水平监测孔之间的夹角大致呈90°，所述右侧监测孔4与所述上水平监测管7之间的夹角大致呈90°。
实施例5
基于上述实施例，如图6所示，所述上水平监测管和下水平监测管8均包括多个监测管段9，以及用于将相邻两个所述监测管段9连通的透明软管10；采用这种连接方式，使得上水平监测管能够从所述右侧监测孔4逐渐推入并在所述右侧监测孔4的下端转弯进入所述上水平监测管7；同理，也使得下水平监测管8能够从所述左侧监测孔3逐渐推入并在所述左侧监测孔3的下端转弯进入所述下水平监测孔。
本实施例中，优选的做法是，所述左侧监测管5、右侧监测管6、上水平监测管和下水平监测管8均为有机玻璃管。这样既确保了监测管的强度，同时又满足了可视化的需求。
如图7所示，所述上水平监测管和下水平监测管8的管头为球形导向头11。通过设置球形导向头11，能够对所述上水平监测管和下水平监测管8在伸入相应的钻孔时，起到很好的引导作用。
本实施例中，所述左侧监测孔3的下端与下水平监测孔的连接处的倒角为圆弧形，所述右侧监测孔4的下端与上水平监测管7的连接处的倒角为圆弧形。通过设置这种圆弧形倒角，能够使得上水平监测管顺利的从右侧监测管6进入上水平监测管7，同理，能够使得下水平监测管8顺利的从左侧监测管5进入下水平监测孔。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.地下施工过程中地下水位及地层变形可视化实时监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、导洞开挖；
步骤二、管孔开挖：在开挖导洞之前，在导洞部位上方地表从上往下钻孔形成用于监测地下水位和地层变化监测孔；
步骤三、钻出监测孔：在所述导洞预设部位的左侧钻出左侧监测孔，在所述导洞预设部位的右侧钻出右侧监测孔，在所述导洞预设部位的顶板钻出顶板监测孔；所述左侧监测孔和右侧监测孔穿过靠近导洞处地下水位管孔，并与之相连通，将左侧监测管和右侧监测管分别伸至导洞预设部位的底板下端位置，左侧监测管和右侧监测管的延伸至所述导洞预设部位的底板下部，整体形成第一布置方式；
所述左侧监测孔与靠近导洞处地下水位管孔相连通，将地下水位管孔延伸至所述导洞预设部位的底板下端部，水平延伸形成下水平监测孔；所述右侧监测孔与靠近导洞处地下水位管孔相连通相连通，将地下水位管孔延伸至所述导洞预设部位的顶板上端，水平延伸形成上水平监测孔；
所述上水平监测孔内安装有用于与右侧监测管相连通的上水平监测管，所述下水平监测孔内安装有用于与左侧监测管相连通的下水平监测管，整体形成第二布置方式；
在导洞的延伸方向上，左侧监测管和右侧监测管的布置方式采用第一布置方式和第二布置方式相交错的方式；
步骤四、安装监测管：在所述左侧监测孔内安装左侧监测管，在所述右侧监测孔内安装右侧监测管，在顶板监测孔安装顶板监测管；
步骤五、开始监测：并将监测探头送入左侧监测管和右侧监测管内进行监测，同时将监测探头送入到地下水位和地层变形孔内进行监测，并沿着导洞延伸方向方向进行循环监测，根据形成的三维数字图像，分析地表变形与地下水位变化规律；
步骤六、施工结束以及地表变形满足规范要求后，停止监测。
2.如权利要求1所述的地下施工过程中地下水位及地层变形可视化实时监测方法，其特征在于：在步骤二中，地下水位管孔沿导洞预设部范围内的截面方向间隔开挖为多条，形成内部地下水位和地层变形监测孔，并且在导洞预设部范围外的截面方向间隔开挖为多条，形成外部地下水位和地层变形监测孔；内部管孔和外部管孔在同一竖向平面内。
3.如权利要求1或2所述的地下施工过程中地下水位及地层变形可视化实时监测方法，其特征在于：在步骤三中，所述左侧监测孔和右侧监测孔穿过靠近导洞处地下水位管孔，并与之相连通，将左侧监测管和右侧监测管分别伸至导洞预设部位的底板下端位置，左侧监测管和右侧监测管的延伸至所述导洞预设部位的底板下部。
4.如权利要求1或2所述的地下施工过程中地下水位及地层变形可视化实时监测方法，其特征在于：在步骤三中，所述左侧监测孔与靠近导洞处地下水位管孔相连通，将地下水位管孔延伸至所述导洞预设部位的底板下端部，水平延伸形成下水平监测孔；所述右侧监测孔与靠近导洞处地下水位管孔相连通相连通，将地下水位管孔延伸至所述导洞预设部位的顶板上端，水平延伸形成上水平监测孔；
所述上水平监测孔内安装有用于与右侧监测管相连通的上水平监测管，所述下水平监测孔内安装有用于与左侧监测管相连通的下水平监测管。
5.如权利要求4所述的地下施工过程中地下水位及地层变形可视化实时监测方法，其特征在于：所述左侧监测孔的下端与下水平监测孔的连接处的倒角为圆弧形，所述右侧监测孔的下端与上水平监测孔的连接处的倒角为圆弧形。
6.如权利要求4所述的地下施工过程中地下水位及地层变形可视化实时监测方法，其特征在于：所述上水平监测管和下水平监测管均包括多个监测管段，以及用于将相邻两个监测管段连通的管路为透明软管。
7.如权利要求4所述的地下施工过程中地下水位及地层变形可视化实时监测方法，其特征在于：所述上水平监测管和下水平监测管的管头均为球形导向头。
8.如权利要求4所述的地下施工过程中地下水位及地层变形可视化实时监测方法，其特征在于：所述左侧监测管和所述右侧监测管的数量均为多个，且多个所述左侧监测管和多个所述右侧监测管均沿导洞预设部位的延伸方向间隔布设。
9.如权利要求4所述的地下施工过程中地下水位及地层变形可视化实时监测方法，其特征在于：所述左侧监测孔与所述下水平监测孔之间的夹角呈90°，所述右侧监测孔与所述上水平监测孔之间的夹角呈90°。
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